4.3.3. Тормозные режимы асинхронных двигателей

Полная механическая характеристика асинхронного двигателя во всех квадрантах поляМ-s, представлена на рис.4.13.

Асинхронный двигатель может работать в трех тормозных режимах: реку-перативного торможения, динамического торможения и торможения противо-включением; специфичес-ким тормозным режимом является также конден-саторное торможение.

Р

Рис.4.13. Полная механическая характеристика асинхронного двигателя

екуперативное генераторное торможение возможно, когда скорость ротора выше скорости вращения электромагнитного поля статора, чему соответствует отрицательное значение скольжения.

Для того, чтобы ротор двигателя перешел синхронную скорость и разогнался до скорости выше синхронной, к его валу должен быть приложен внешний положительный по знаку вращающий момент. Это может быть, например, в приводе подъемной лебедки в режиме спуска груза.

Механическая характеристика асинхронного двигателя в режиме рекуперативного торможения идентична (с учетом угловой симметрии) характеристике двигателя в двигательном режиме. Расчет характеристик может производиться по формуле Клосса (4.27). Максимальный момент в режиме рекуперативного торможения несколько выше, чем максимальный момент в двигательном режиме. Для рекуперативного режима

.

Отношение М_к в двигательном режиме к М_кг в тормозном будет:

.

Несколько большая величина максимального момента в генераторном режиме объясняется тем, что потери в статоре (на сопротивленииr₁) в двигательном режиме уменьшают момент на валу, а в генераторном режиме момент на валу должен быть больше, чтобы покрыть потери в статоре.

Э

Рис.4.14. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя в режиме рекуперативного торможения

нергетический баланс в режиме рекуперативного гене-раторного торможения опреде-ляется следующим (рис.4.14). Механическая мощность, по-ступающая на вал двигателя, преобразуется в электромаг-нитную мощность вращающе-гося поляР_эм и электрическую мощность, трансформируемую в роторную цепь двигателя. По аналогии с (4.35) получим

.

Электромагнитная мощность, за исключением потерь в статоре, отдается в питающую сеть. Отметим, что в режиме рекуперативного торможения асинхронный двигатель генерирует и отдает в сеть активную мощность, а для создания электромагнитного поля асинхронный двигатель и в режиме генератора должен обмениваться с сетью реактивной мощностью. Поэтому асинхронная машина не может работать автономным генератором при отключении от сети. Возможно, однако, подключение асинхронной машины к конденсаторным батареям, как к источнику реактивной мощности. Такая схема рассмотрена ниже.

Рис.4.15. Схемы подключения асинхронного двигателя в режиме динамического торможения

Способ динамического торможения характеризуется тем, что статорные обмотки отключаются от сети переменного тока и подключаются к источнику постоянного напряжения (см.рис.4.15). При питании обмоток статора постоянным током создается неподвижное в пространстве электромагнитное поле, т.е. скорость вращения поля статора . Скольжение будет равно,

где:- номинальная угловая скорость вращения поля статора.

В

Рис.4.16. Механические характеристики асинхронного двигателя в режиме динамического торможения

ид механических характе-ристик (см.рис.4.16) подобен характеристикам в режиме реку-перативного торможения. Исход-ной точкой характеристик явля-ется начало координат. Регу-лировать интенсивность динами-ческого торможения можно из-меняя величину тока возбуж-денияI_дт в обмотках статора. Чем выше ток, тем больший тормозной момент развивает двигатель. При этом, однако, нужно учитывать, что при токах начинает сказываться насыщение магнитной цепи двигателя.

Для асинхронных двигателей с фазным ротором регулирование тормозного момента может производиться также введением дополнительного сопротивления в цепь ротора. Эффект от введения добавочного сопротивления аналогичен тому, которое имеет место при пуске асинхронного двигателя: благодаря улучшению повышается критическое скольжение двигателя и увеличивается тормозной момент при больших скоростях вращения.

Работу асинхронного двигателя в режиме динамического торможения можно рассматривать как работу трехфазного асинхронного двигателя при питании его постоянным током, т.е. током при частоте f₁=0. Второе отличие заключается в том, что обмотки статора питаются не от источника напряжения, а от источника тока. Следует также иметь в виду, что в схеме динамического торможения ток I_дт протекает (при соединении обмоток в звезду) не по трем, а по двум фазным обмоткам.

Для расчета характеристик нужно заменить реальный I_дт эквивалентным током I_экв, который, протекая по трем фазным обмоткам создает ту же намагничивающую силу, что и ток I_дт.

Для схемы рис.4.15б–I_экв=0,816I_дт.

Для схемы рис.4.15в- I_экв=0,472I_дт.

С учетом указанных осо-бенностей векторная диаграмма асинхронной машины в режиме динамического торможения (рис.4.17) будет определяться соотношением:

.

Т

Рис.4.17. Векторная диаграмма асинхронного двигателя в режиме динамического торможения

ок намагничивания зависит от тока ротора при постоянномI_экв. По мере роста скольжения ток намагничивания будет уменьшаться под действием реактивного тока ротора.

Приведенный ток ротора будет равен

,

где: - индуктивное сопротивление контура намагничивания и ротора двигателя, приведенные к частоте 50Гц.

Упрощенная формула для приближенного расчета механических характеристик (не учитывающая насыщение двигателя) подобна формуле Клосса для двигательного режима

.

Здесь ,

,

- номинальная скорость вращения электромагнитного поля.

Следует подчеркнуть, что критическое скольжение в режиме динамического торможения существенно меньше критического скольжения в двигательном режиме, т.к. . Для получения критического тормозного момента, равного критическому моменту в двигательном режиме токI_экв должен в 2-4 раза превышать номинальный ток намагничивания I₀. Напряжение источника питания постоянного тока U_д будет значительно меньше номинального напряжения и примерно равно .

Энергетически в режиме динамического торможения асинхронный двигатель работает как синхронный генератор, нагруженный на сопротивление роторной цепи двигателя. Следовательно, вся механическая мощность, поступающая на вал двигателя при торможении, преобразуется в электрическую и идет на нагрев сопротивлений роторной цепи.

Возбуждение асинхронной машины в режиме динамического торможения может осуществляться не только подачей постоянного тока в обмотки статора машины, но также в режиме самовозбуждения путем подключения конденсаторов к цепям статора асинхронной машины, как это показано на рис.4.18. Такой способ торможения называют конденсаторным торможением асинхронных двигателей. По энергетической сущности этот вид торможения идентичен динамическому торможению, т.к. энергия, поступающая с вала, преобразуется в электрическую и выделяется в виде потерь в роторе двигателя.

Рис.4.18. Схема включения асинхронного двигателя в режиме динамического торможения с самовозбуждением от конденсаторов

Процесс самовозбуждения асинхронного двигателя про-исходит следующим образом. Под действием остаточного потока ротора в обмотках статора наводится э.д.с., под действием которой возникает намагничивающий ток, проте-кающий через конденсаторы. При этом увеличивается поток машины, следовательно, наво-димая э.д.с. и ток намаг-ничивания. Верхняя и нижняя границы режима самовозбуждения и величина тормозного момента зависят от величины емкости конденсаторов [1-3]. Данный способ торможения применяется для приводов малой мощности (до 5кВт), т.к. требует установки конденсаторов значительного объема.

Торможение противовключением может быть в двух случаях:

• в первом, когда при работе двигателя необходимо его экстренно остановить, и с этой целью меняют порядок чередования фаз питания обмоток статора двигателя;

• во втором, когда электромеханическая система движется под действием спускаемого груза, а двигатель включается в направлении подъема, чтобы ограничить скорость спуска (режим протягивающего груза).

В обоих случаях электромагнитное поле статора и ротор двигателя вращаются в разные стороны. Скольжение двигателя в режиме противовключения всегда больше 1

.

В первом случае (см.рис.4.19) двигатель, работавший в т.1, после изменения порядка чередования фаз двигателя переходит в тормозной режим в т.1’ и скорость привода быстро снижается под действием тормозного момента М_т и статического момента М_С. При замедлении до скорости, близкой к нулю, двигатель необходимо отключить, иначе он будет разгоняться в противоположном направлении вращения.

Во втором случае после снятия механического тормоза двигатель, включенный в направлении вверх, под действием силы тяжести спускаемого груза будет вращаться в противоположном направлении со скоростью, соответствующей точке 2. Работа в режиме противовключения под действием протягивающего груза возможна при использовании двигателей с фазным ротором. При этом в цепь ротора вводится значительное добавочное сопротивление, которому соответствует характеристика 2 на рис.4.19.

Энергетически режим про-тивовключения крайне неб-лагоприятен. Ток в этом режи-ме для асинхронных корот-козамкнутых двигателей пре-восходит пусковой, достигая 10-кратного значения. Потери в роторной цепи двигателя складываются из потерь корот-кого замыкания двигателя и мощности, которая передается на вал двигателя при торможении

.

Д

Рис.4.19. Режим противовключения асинхронного двигателя

1, 1’ – естественные механические характеристики при включении «вперед» и «назад»

2 – механическая характеристика двигателя с фазным ротором со включенным добавочным сопротивлением в цепь ротора.

ля короткозамкнутых двигателей режим противовключения возможен только в течение нескольких секунд. При использовании двигателей с фазным ротором в режиме противовключения обязательно включение в цепь ротора добавочного сопротивления. В этом случае потери энергии остаются такими же значительными, но они выносятся из объема двигателя в роторные сопротивления.